21 厘米信号解释
了解宇宙如何随着第一批恒星和星系的形成而从黑暗过渡到光明，是宇宙发展的一个关键转折点，被称为宇宙黎明。 然而，即使使用最强大的望远镜，我们也无法直接观测到这些最早的恒星，因此确定它们的特性是天文学中最大的挑战之一。 由剑桥大学领导的国际天文学家小组 Now 表明，我们将能够学习通过研究特定的无线电信号 - 由氢原子填充恒星形成区域之间的间隙产生 - 起源于大爆炸后仅一亿年，即可了解最早恒星的质量。 通过研究第一批恒星及其残余物如何影响这个称为 21 厘米信号的信号，研究人员表明，未来的射电望远镜将帮助我们了解非常早期的宇宙，以及它是如何从一个几乎均匀的质量转变而来的氢能达到我们今天看到的令人难以置信的复杂性。 他们的结果发表在《自然天文学》杂志上。 “这是一个独特的机会，可以了解宇宙的第一道光是如何从黑暗中出现的，”剑桥天文研究所的合著者 Anastasia Fialkov 教授说。 “从一个寒冷、黑暗的宇宙过渡到一个充满星星的宇宙，这是一个我们才刚刚开始理解的故事。” 对宇宙中最古老的恒星的研究取决于21 厘米信号，来自 130 多亿年前的微妙能量信号。 这个信号受到早期恒星和黑洞辐射的影响，为了解宇宙的起步期提供了一个罕见的窗口。 Fialkov 领导 REACH（宇宙氢分析射电实验）的理论小组。 REACH 是一种无线电天线，是可以帮助我们了解宇宙黎明和再电离时代的两个主要项目之一，当时第一批恒星重新电离了中性氢原子在宇宙中。 尽管捕获无线电信号的 REACH 仍处于校准阶段，但它有望揭示有关早期宇宙的数据。 与此同时，平方公里阵列 （SKA） ——一个正在建设中的大型天线阵列——将绘制天空中广阔区域的宇宙信号波动图。 这两个项目对于探测宇宙最早恒星的质量、光度和分布都至关重要。 在目前的研究中，Fialkov - 他也是SKA 和她的合作者开发了一个模型，可以预测 REACH 和 SKA 的 21 厘米信号，并发现该信号对第一批恒星的质量很敏感。 “我们是第一个始终如一地模拟第一批恒星质量的 21 厘米信号依赖性的小组，包括紫外线星光的影响和第一批恒星死亡时产生的 X 射线双星产生的 X 射线发射，”Fialkov 说，他也是剑桥大学的成员卡弗里宇宙学研究所。 “这些见解来自整合宇宙原始条件的模拟，例如大爆炸产生的氢氦成分。” 在开发他们的理论模型时，研究人员研究了 21 厘米的信号如何对第一批恒星（称为群体 III 恒星）的质量分布做出反应。 他们发现，以前的研究低估了这种联系，因为他们没有考虑这个数字和X 射线双星的亮度 - 由正常恒星和坍缩恒星组成的双星系统 - 在群体 III 恒星中，以及它们如何影响 21 厘米信号。 与詹姆斯韦伯太空望远镜等捕捉生动图像的光学望远镜不同，射电天文学依赖于对微弱信号的统计分析。 REACH 和 SKA 将无法对单个恒星进行成像，而是提供有关整个恒星种群、X 射线双星系统和星系的信息。 “将无线电数据与第一批恒星的故事联系起来需要一点想象力，但其影响是深远的，”Fialkov 说。 “我们报告的预测对我们理解宇宙中第一批恒星的性质具有巨大影响，”合著者、REACH 望远镜的首席研究员、剑桥大学 SKA 开发活动的 PI Eloy de Lera Acedo 博士说。 “我们展示了证据表明，我们的射电望远镜可以告诉我们有关那些第一批星星以及这些早期的曙光可能与今天的星星截然不同。 “像 REACH 这样的射电望远镜有望解开婴儿宇宙的奥秘，这些预测对于指导我们从南非卡鲁进行的射电观测至关重要。” 该研究得到了英国研究与创新 （UKRI） 下属的科学技术设施委员会 （STFC） 的部分支持。 Anastasia Fialkov 是抹大拉学院的研究员，剑桥。 Eloy de Lera Acedo 是 STFC Ernest Rutherford 研究员和剑桥塞尔温学院的研究员。